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第二讲油气藏中的流体—石油、天然气与油田水

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长江大学工程技术学院石油资源系长江大学工程技术学院石油资源系 胡胡 芳芳 石油地质学石油地质学 上节回顾 • 石油地质学的概念 又称石油及天然气地质学,是研究 地壳中油气藏油气藏及其形成原理和分布 规律的一门科学。 第一章 油气藏中的流体— 石油、天然气和油田水 一、石油的概念及组成一、石油的概念及组成 二、石油的化合物及特征二、石油的化合物及特征 三、石油的分类三、石油的分类 四、海陆相原油的基本区别四、海陆相原油的基本区别 五、石油的物理性质五、石油的物理性质 第一节第一节 石石 油油 教学目的与教学思路 教学重点难点 要求掌握石油的概念;石油的元素组成;石 油化合物组成及特征;石油的分类;石油的 物理性质。 石油的化合物及特征;石油的组成和特征 第一章 油气藏中的流体—石油、天然气和油田水 一个油气藏中的 流体包括油、气、水 ,纯气藏中的流体只 有气和水。这些流体 存在于储集层的孔隙 裂缝中,在圈闭范围 内按重力分异,气居 顶部,油居中,水在 下面。三者以一定的 关系共存于储集层的 孔隙系统中。 油气水在油气藏(岩石)中的分布 ØØ 油气藏中的石油、天然气、油田水三者并非截然油气藏中的石油、天然气、油田水三者并非截然 分离,气分离,气- -油、油油、油- -水和气水和气- -水之间存在过渡带,它水之间存在过渡带,它 们以一定关系共存于储集层的孔隙裂缝系统中。们以一定关系共存于储集层的孔隙裂缝系统中。 第一章 油气藏中的流体—石油、天然气和油田水 一、石油的概念及组成 石油(又称原油)— crude oil : 以液态形式存在于地下岩石孔隙中, 由各种碳氢化合物和少量杂质组成的可燃有 机矿产。 克1井井口油气克27井附近油苗克5井天然气、原油可燃 盐霜 油苗 气可燃 油可燃 杨叶油气苗杨叶长期暴露地表 油砂滴水珠状 气涌带出油花 杨叶油砂 岩石破裂断面见油 塔里木油苗—油气是最重要的能源物质 第一章 油气藏中的流体—石油、天然气和油田水 (一)石油的元素组成( Elemental composition ) 元素:碳、氢、氧、氮、硫 碳:84~87%,平均84.5%; 氢:11~14%,平均13%; 碳+氢:95~99%,平均97.5%。 硫+氮+氧+微量元素:1~4%,其 中,氧:0.1~0.5%,一般小于 0.5%;硫:小于1%,平均0.65% ;氮:小于0.1%。 硫 2%:高硫原油 氮 0.25%:高氮原油 一、石油的概念及组成 硫在油田开发中是有害的元素 轮南油田的油管被腐 蚀情况 2003年重庆天然气井喷 事故造成重大损失 第一章 油气藏中的流体—石油、天然气和油田水 石油已发现59种微量元素,按其含量多少和常见 程度列举如下:铁(Fe)、钙(Ca)、镁(Mg)、硅(Si)、 铝(Al)、钒(V)、镍(Ni)、铜(Cu)、锑(Sb)、锰(Mn)、 锶(Sr)、钡(Ba)、硼(B)、钴(Co)、锌(Zn)、钼(Mo)、 铅(Pb)、锡(Sn)、钠(Na)、钾(K)、磷(P)、锂(Li)、 氯(Cl)、铋(Bi)、铍(Be)、锗(Ge)、银(Ag)、砷(As)、 镓(Ga)、金(Au)、钛(Ti)、铬(Cr)、镉(Cd)。构成了石 油的灰分 。 石油灰分中的V、Ni含量及其比值(V/Ni)已被 用来确定生油岩相、油源对比以及研究油气运移等问 题。 第一章 油气藏中的流体—石油、天然气和油田水 (二)石油的馏分、族分、组分与化合物组成 馏馏分 轻馏轻馏 分中馏馏分重馏馏分 石油气汽油煤油柴油重瓦斯油润润滑油渣油 温度 (OC) 530(500) 石油的馏分组成 石油的馏分:是利用组成石油的化合物具有不 同沸点的特性,加热蒸馏,将石油切割成不同沸点 范围(即馏程)的若干部分,每一部分就是一个馏 分。原油的炼制工艺即利用了这一原理。不同馏分 的名称及温度范围见下表。 第一章 油气藏中的流体—石油、天然气和油田水 石油的族分(族组成):石油化合物由于分子结构 的差异,对有机溶剂和吸附剂具有选择性溶解和吸附 性能,选用不同有机溶剂和吸附剂,将石油分成若干 部分,每一部分就是一个族分,分别为饱和烃、芳烃 、胶质及沥青质四种族分。 (二)石油的馏分、族分、组分与化合物组成 石油的组分 根据有机溶剂中的选择溶解,可将石 油沥青质类分为四组分: 1.油质质:溶于石油醚醚而不被硅胶吸附的部分。 主要是由饱饱和烃烃和一部分低分子量芳烃组烃组 成的淡色粘性液体或蜡状固体。 2.苯胶质质:用苯从硅胶中解析的产产物。 分子量300-4000,非烃烃、芳烃烃、暗色胶状混合物。 3.酒精-苯胶质质:用酒精-苯从硅胶中解析的产产物。 分子量300-1000,非烃烃,暗色胶状混合物。 4.沥沥青质质:溶于氯氯仿而不溶于石油醚醚或正己烷烷的部 分。 非烃烃,分子量更高(上千甚至上百万);结结构更复杂杂,暗褐色-黑色沥沥青状无定 形固体。 馏分、组分和化合物组成三者的关系 第一章 油气藏中的流体—石油、天然气和油田水 组分(溶剂分离) 族分(热色谱鉴定) 馏分(热分离) 油质 饱和烃 汽油 苯胶质 芳香烃 煤油 酒精苯胶质 非烃 柴油 沥青 沥青质 重油沥青 考虑到轻馏分具有较强的考虑到轻馏分具有较强的 挥发性,在储存、运输过挥发性,在储存、运输过 程中容易造成误差,故在程中容易造成误差,故在 对石油组分进行地球化学对石油组分进行地球化学 分析时,常先对石油进行分析时,常先对石油进行 蒸馏,一律去掉低于蒸馏,一律去掉低于210℃210℃ 的馏分,仅保留大于的馏分,仅保留大于210℃210℃ 的馏分进行分离。的馏分进行分离。 在近代实验室中,用液相 色谱可将石油划分为烃类化合 物:正构烷烃、异构烷烃、环 烷烃、芳香烃和非烃化合物及 沥青质。 第一章 油气藏中的流体—石油、天然气和油田水 石油的化合物组成 1、正构烷烃 第一章 油气藏中的流体—石油、天然气和油田水 在常温常压下,C1~C4 的烷烃为气态,C5 ~C16 的烷烃为液态,C17+ 的高分子烷烃皆呈固 态。 石油中已鉴定出的正构烷烃有C1~C45,个 别报导曾提及见到C60正烷烃,但大部分正构烷 烃碳数≤C35。石油中多数占15.5%(体积),轻 质石油可达30%以上,而重质石油可小于15%。 二、石油的化合物及特征 (一)烃类化合物 第一章 油气藏中的流体—石油、天然气和油田水 石油中正构烷烃的来源: 现代生物:如细菌、藻类。 含脂类的植物或蜡质(主要在高等植物的叶、孢子 花粉、果实)。 有机质的演变、分解。 其含量主要取决于: 1.生成石油的原始有机质的类型:陆相原油含量多 ,海相原油含量少。 2.原油的成熟度: 未成熟的石油,主要含大分子量的正构烷烃; 成熟的石油中,主要含中分子量的正构烷烃; 降解的石油中,主要含中、小分子量的正构烷烃; 第一章 油气藏中的流体—石油、天然气和油田水 不同类型的正构烷烃分布曲线 在石油中 ,不同碳原子数 正构烷烃相对含 量呈一条连续的 分布曲线,称为 正构烷烃分布曲 线。 根据图中主峰碳位置及形态, 可将正烷烃分布曲线分为3种 基本类型:①主峰小于C15, 主峰区较窄②主峰大于C25, 主峰区较宽③主峰在C15-C25之 间,主峰区较宽。应用于石油 的成因和油源对比研究。 2、异构烷烃 第一章 油气藏中的流体—石油、天然气和油田水 来源:异戊间二烯烷烃具有生物成因意义,是重要的生物 标志化合物。同源的石油所含异戊间二烯类烷烃类型和含量都 十分接近。因此,常用于油源对比标志(指纹化合物),近来 也用于沉积环境研究。 石油中的异构烷烃以≤C10 为主,且以异戊间二烯烷烃最 重要。其特点是在直链上每4 个碳原子有一个甲基支链。 在沉积物和原油中以植烷 (四甲基十六烷)、姥鲛烷(四 甲基十五烷)、降姥鲛烷(三甲 基十五烷)、异十六烷(三甲基 烷)及法呢烷(三甲基十二烷) 的含量最高。 烷烃分子结构的特点是什么? 单键相连 排列成直链式 3、环烷烃 第一章 油气藏中的流体—石油、天然气和油田水 由许多围成环的多个次甲基(-CH2-)组成。组 成环的碳原子数可以是大于3的任何数,相应称为三 员环、四员环、五员环等。石油中的环烷烃多为五员 环或六员环。 其含量与成熟度有关:成熟度低→高,由多环→ 单、双环。一般单、双环占环烷烃的50.5%;三环占 环烷烃的20%;四、五环占环烷烃的25%。 原油中大于四环的环烷烃一般具有很高的旋光性 ,所以没成熟的原油旋光性高。多环环烷烃与四环的 甾族化合物和五环的三萜稀类化合物很相似,被作为 有机成因的主要证据之一。 4、芳香烃 第一章 油气藏中的流体—石油、天然气和油田水 含有苯环结构,属不饱和烃。根据其结构 不同可分为单环、多环、稠环三类芳香烃。 在石油的低沸点馏分中,芳香烃含量较少 ,且多为单环芳香烃,如苯、甲苯和二甲苯。 随沸点升高,芳香烃含量亦增多,除单环芳香 烃外,出现双环芳香烃,如联苯。在重质馏分 中还可能出现稠环芳香烃,如萘和菲,蒽的含 量较少。 稠环芳香烃指分子中含两个或多 个苯环,彼此间通过共用两个相 邻碳原子稠合而成的芳香烃。 三种烃类在世界石油烃组成中所占的比例(%) 烃类名称范 围 通常范围平均含量 烷烃0~705~55 30 环烷烃20~8025~75 46 芳香烃5~6010~40 24 主要是含硫、氮、氧三种元素的有机化合物,主要集中在 石油的高沸点馏分中。 含硫化合物:最重要的非烃化合物,存在于中、重馏分中 。主要有硫醇(-SH)、硫化物(-S-)(包括硫醚 R-S-Rˊ、环 硫醚)、二硫化物(-S-S-)以及噻吩衍生物。此外,还有元素 硫、硫化氢。硫来自有机物的蛋白质和围岩的含硫矿物石膏等 含氮化合物:主要集中在胶质—沥青质中。石油中氮化合 物可分为碱性和中性两大类。碱性含氮化合物主要是吡咯、吲 哚、咔唑的同系物及酰胺等。原油中含有具有重要意义的中性 含氮化合物,即卟啉化合物,它是石油有机成因的重要生物标 志物。 第一章 油气藏中的流体—石油、天然气和油田水 二、石油的化合物及特征 (二)非烃化合物 第一章 油气藏中的流体—石油、天然气和油田水 卟啉和矾卟啉的结构式 卟啉是以4个吡咯环为 基本结构,由4个次甲基( -CH=)桥键连接的含氮 化合物。在石油中卟啉常 与金属V、Ni络合形成有 机络合物,它比较稳定, 易保存,具有极强的吸光 性和荧光性。卟啉本身在 高温或氧化条件下易分解 ,说明石油是在温度不高 、还原环境下形成,卟啉 还易被粘土吸附,可应用 于油气运移研究。 第一章 油气藏中的流体—石油、天然气和油田水 含氧化合物:主要有酸性和中性两大类 。酸性含氧化合物中有环烷酸、脂肪酸及 酚,总称石油酸;中性含氧化合物有醛、 酮等,其含量较少。 酸性含氧化合物中环 烷酸最多,占酸性物质90%以上,易与碱 金属作用生成环烷酸盐,极易溶于水,由 此可作为地下水找油的一种标志。 除上述已经分离和鉴定出的各种化合物外,石油中还有 一定数量的、由多种元素(C、H、O、S、N等)组成的、 结构极为复杂的高分子化合物,因受分离技术的限制,目前 对其具体的结构特征尚不清楚,统称其为沥青质。 三、石油的分类 第一章 油气藏中的流体—石油、天然气和油田水 石油的分类方法常因 目的而异,地球化学家和 地质学家注重原油组成及 其与生油岩和演化作用的 关系。代表性的分类方案 是蒂索Tissot和威尔特 Welte(1978)提出的,该 分类采用三角图,以烷烃 、环烷烃、芳烃+N、S 、O化合物作为三角图解 的三个端元。分为六种类 型。 注意该方案中所用参数是注意该方案中所用参数是 原油中沸点原油中沸点210210 0 0 C C馏分的馏分的 分析数据。分析数据。 烃类成分含量 含硫 量 类型 S50% AA40% PN 40% Ⅲ 环烷型 S≤50% AA≥50% P10%1% Ⅳ 芳香-中 间型 P≤10% N25% 1% Ⅵ 芳香-沥 青型 S:饱和烃 P:烷烃(石蜡烃)N:环烷烃 AA:芳烃+NSO化合物(胶质、沥青质): 重质降解原油 芳香—沥青型 芳香—环烷型 芳香—中间型 石蜡型 环烷型 石蜡-环 烷型 根据统计出现的频数,大多数正常石油属于芳香 —中间型、石蜡—环烷型和石蜡型;而若以石油的产储 量大小论,则芳香—沥青型最重要,其次是芳香—环烷 型和芳香—中间型。 重质降解原油 芳香—沥青型 芳香—环烷型 芳香—中 间型 石蜡 型 环烷型 石蜡-环 烷型 第一章 油气藏中的流体—石油、天然气和油田水 内容海相陆陆相 石油类型 以芳香—中间间型和石 蜡—环烷环烷 型为为主,饱饱 和烃烃占25—70%,芳 烃烃占25—60%。 以石蜡型为为主,饱饱和 烃烃占60—90%,芳烃烃 占10—20%。 含蜡量含蜡量低(5%) 含硫量含硫量高(1%)含硫量低(1V、Ni含量低且V/Ni-27‰碳同位素δ13C值值l;V/Nil;而陆相石油中钒、而陆相石油中钒、 镍含量较低,且镍含量较低,且V/NiV/Ni<<1 1。此外,钒、镍主要存在于卟啉类。此外,钒、镍主要存在于卟啉类 化合物中,化合物中, 海相石油富含钒卟啉,而陆相石油富含镍卟啉海相石油富含钒卟啉,而陆相石油富含镍卟啉 。。 ( (五五) )碳稳定同位素分布碳稳定同位素分布 海陆相石油的碳稳定同位素组成也有明显差别。据廖永海陆相石油的碳稳定同位素组成也有明显差别。据廖永 胜胜 (1989)(1989)统计,第三系海相石油的统计,第三系海相石油的δδ13 13C C值一般 值一般大于大于-27‰-27‰ ,而陆相石油的,而陆相石油的δδ13 13C C值一般 值一般小于小于-29‰-29‰。不同时代海、陆相。不同时代海、陆相 石油的石油的δδ13 13C C值可有一定幅度的变化,但两者的差别仍是基 值可有一定幅度的变化,但两者的差别仍是基 本的。本的。 海陆相石油在三角图上的分布 非海相有机 质形成的油 田 高硫原油 海相有机质 形成的油田 重质降解 原油 五、石油的物理性质 第一章 油气藏中的流体—石油、天然气和油田水 颜色:从白色、淡黄、黄褐、深褐、墨绿色至黑色。 比重:是指一大气压下,20℃石油与4℃纯水单位体积的 重量比,用d420表示。一般介于0.75~0.98之间。通常把比重 大于0.90的称为重质石油;小于0.90的称为轻质石油。美国通 常用API度、西欧用波美度来表示石油的比重。 关系如下: API=141.5/15.5℃时比重 -131.5 波美度=140/15.5℃时比重 -130 15.5℃时时 的比重 波美度API度15.5℃时时 的比重 波美度API度 1.0010.0100.848535.035.3 0.965515.015.10.832540.040.3 0.933320.020.10.800045.045.4 0.903225.025.20.777850.050.4 0.875030.030.2 第一章 油气藏中的流体—石油、天然气和油田水 石油的粘度:代表石油流动时分子之间相对运动 所引起的内摩擦力大小称作动力粘度,又称绝对粘度, 用SI表示,单位为帕斯卡秒(Pa·s)。 动力粘度/同温 下密度称为运动粘度,其单位称二次方米每秒(m2/s) ,不同温度下的运动粘度用Vt表示。相对粘度又称恩 氏粘度, 是在恩氏粘度计中200ml原油与20℃同体积 蒸馏水流出时间的比值。常用Et表示。 石油颜色深浅和比重、粘度的大小主要取决于石石油颜色深浅和比重、粘度的大小主要取决于石 油的化学组成,胶质、沥青质含量愈高,颜色愈深,油的化学组成,胶质、沥青质含量愈高,颜色愈深, 比重愈大,粘度增加。比重愈大,粘度增加。 第一章 油气藏中的流体—石油、天然气和油田水 荧光性:石油在紫外光照射下可产生延缓时间不足10-7秒 的发光现象,称为荧光性。石油中的多环芳烃和非烃具有荧光 性。荧光色随不饱和烃的浓度及分子量增加而加深。轻质石油 显浅蓝色,胶质较多显绿黄色,沥青质为褐色。 利用石油具有荧光性,可以用紫外灯鉴定岩石中微量石油 和沥青类物质的存在。 旋光性:石油能将偏振光的振动面旋转一定角度的能力。 石油的旋光角一般是几分之一度到几度之间。绝大多数石油的 旋光角是使偏振面向右旋移而成,仅有少数为左旋。石油的旋 光性与含有结构不对称的生物成因标志物有关,因此旋光性常 作为石油有机成因的证据。 第一章 油气藏中的流体—石油、天然气和油田水 溶解性:石油难溶于水,但却易溶于多种有机溶剂如氯仿 、四氯化碳、苯、醚等。利用这种特性可以用有机溶剂检验岩 石的含油性。 凝固和液化:石油凝固和液化的温度范围是随其组成而变 化的,无固定数值。凝固点:原油失去流动能力的最高温度称 为凝固点。含高分子的烃越多,凝固点越高。 导电性:石油是不良导体,在地下属高电阻。石油的电阻 率为109-1016Ω∙m,与高矿化度的油田水(电阻率为0.02- 0.1Ω∙m)和沉积岩(1-104Ω∙m)相比,可视为无限大,都是非导 体。 一、石油的概念及组成一、石油的概念及组成 二、石油的化合物及特征二、石油的化合物及特征 三、石油的分类三、石油的分类 四、海陆相原油的基本区别四、海陆相原油的基本区别 五、石油的物理性质五、石油的物理性质 课课 堂堂 小小 结结 第一章 油气藏中的流体—石油、天然气和油田水 第一节 思考题 1、名称解释:石油 2、石油中包含哪几类烃类化合物和非烃化合物? 3、海相与陆相石油的基本区别
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